聚醚醚酮(PEEK)在體內(nèi)具有的明顯優(yōu)點(diǎn),是原始設(shè)備制造商們需要的植入器械材料。

      聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)聚合物是一種異常堅(jiān)固的工程熱塑性塑料,即使在高溫下也能保持其機(jī)械性能。這種材料堅(jiān)硬耐磨,具有高沖擊強(qiáng)度和極好的彎曲伸展性,摩擦系數(shù)低,對許多有機(jī)和無機(jī)化學(xué)物質(zhì)以及溶劑具有抗腐蝕性。

植入級PEEK聚合物適用于長期植入(超過30天),比傳統(tǒng)的材料如聚乙烯、合金和陶瓷具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于植入級PEEK聚合物所具有的獨(dú)特性能,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療市場,包括用于人體植入的醫(yī)療器械上。

植入級PEEK聚合物具有生物相容性(材料在體內(nèi)或體液內(nèi)的適配性)和生物穩(wěn)定性(材料在植入到活體后保持其理化性質(zhì)的能力)的特點(diǎn)。由于其強(qiáng)度、硬度、韌性以及經(jīng)反復(fù)滅菌而機(jī)械性能不退化的綜合特點(diǎn),PEEK很適合用于醫(yī)療植入裝置。

傳統(tǒng)上講,金屬和陶瓷用于硬組織植入,而聚合材料則用于軟組織。整形外科手術(shù)中存在的一個(gè)主要問題是骨骼與植入的金屬或陶瓷的硬度不匹配。金屬和陶瓷的模量值本身就很高,且是固定的,而可植入級PEEK模量是可變的。這種適應(yīng)性減少了轉(zhuǎn)移到骨骼的集中應(yīng)力,刺激愈合過程。骨骼會因物理性應(yīng)力而重新塑造,反之則沒有。骨骼在受應(yīng)力的位點(diǎn)沉積,在應(yīng)力小的地方溶蝕。

PEEK性質(zhì)

植入級PEEK聚合物是對化學(xué)腐蝕耐受程度ZUI高的聚合體。它的化學(xué)耐受性經(jīng)過了驗(yàn)證—將其暴露于用氯化鈉溶液、甘油、植物油和模擬的體液環(huán)境中30天,對其材料的機(jī)械性能無不利影響。同樣,通過將PEEK聚合物浸于生理鹽水中5000小時(shí)的測試也證明了其在這種環(huán)境中的穩(wěn)定性。

天然的未填充的PEEK聚合體具有高強(qiáng)度、極耐水解和耐電離輻射的特點(diǎn),因此可用常規(guī)的伽馬射線、蒸汽和環(huán)氧乙烷反復(fù)消毒,暴露在200攝氏度的環(huán)境2500小時(shí),其機(jī)械性能無顯著退化。

PEEK的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其很耐伽馬射線輻射。相反,其它聚合材料受伽馬輻射后會交聯(lián)或斷鏈,導(dǎo)致其變?nèi)踝兇唷?

這種材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)可確保其對水解甚至是高溫下的水具有極高的穩(wěn)定性。PEEK對VL746B的相對熱指標(biāo)(或連續(xù)VSE溫度)是260攝氏度。植入級PEEK聚合物可反復(fù)蒸汽消毒,而其機(jī)械性能不會退化。另外,即使經(jīng)過3次反復(fù)消毒,EtO殘留也在ISO10993-7指定范圍內(nèi)。

制造過程和生物相容性測試

植入級PEEK聚合物的研發(fā)采用了增強(qiáng)的制造流程,并在生產(chǎn)的關(guān)鍵階段用物理、化學(xué)和機(jī)械手段進(jìn)行測試。獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了依據(jù)ISO10993 和USP Class VI 程序的生物相容性和生物穩(wěn)定性測試。

該材料純度達(dá)到ZUI別,并且有完整的材料歷史可追溯。器械和藥物主文件里包含的可追溯信息以及測試結(jié)果和關(guān)于聚合物及其制造方法的大量數(shù)據(jù)都記錄在US FDA的文件里。

含添加劑的配方

植入級PEEK聚合化合物里可以加入不同的添加劑,包括碳纖維、鋇以及玻璃纖維,以滿足不同的特定應(yīng)用需求。玻璃纖維與聚合化合物的混合物可以提高機(jī)械性能,而不改變基礎(chǔ)材料的顏色。

因?yàn)榫酆衔锾烊豢赏高^射線,因此添加不同濃度的鋇可以使醫(yī)療器械對x-射線具有中度或強(qiáng)度的不透過性。

把植入級PEEK聚合物與碳纖維混和,可大大提高天然的未填充的聚合物強(qiáng)度。具有更高的強(qiáng)度的聚合物可以應(yīng)用在更高壓力下。

碳纖維化合物

在適合生產(chǎn)醫(yī)療聚合物的受控狀態(tài)下,把碳纖維與聚合體在雙螺旋擠壓機(jī)中混合,可以生產(chǎn)出短纖維加固材料。

短纖維化合物的纖維負(fù)載通常占重量的30-35%,材料的模量值從3.5Gpa提高至大約18Gpa,其抗張強(qiáng)度從100Mpa提高至230Mpa。

碳纖維加固的植入級PEEK聚合化合物的硬度與皮質(zhì)骨接近,因此可以用于壓力防護(hù)對植入物至關(guān)重要的地方。例如,如果髖關(guān)節(jié)植入物是用比皮質(zhì)骨硬得多的金屬結(jié)構(gòu)制造,那么高硬度會造成骨骼溶蝕,并且由于器械承受更大部分的負(fù)載而使植入位點(diǎn)變得脆弱。

這種情形與用植入級碳填充PEEK化合物制成的髖關(guān)節(jié)股骨柄相反,這種化合物具有與周圍骨骼相似的彈性特性,減少了壓力防護(hù)效應(yīng)。

碳纖維復(fù)合物

在某些需要更高機(jī)械性能的情況下,植入級PEEK聚合物可作為母體,與連續(xù)碳纖維形成加固的復(fù)合材料。這種纖維加固可顯著提高聚合物的機(jī)械性能。

例如,用獲得專利的拉擠成型加工法生產(chǎn)連續(xù)碳纖維加固的植入級PEEK聚合物,在這個(gè)過程中,碳纖維與PEEK加工成絲狀,再形成一束,后成為棒狀。

在拉擠成棒狀的連續(xù)纖維材料中,纖維負(fù)載約占總重量的70%(占體積的60-62%),顯著增強(qiáng)了在纖維方向上材料的機(jī)械性能。撓曲強(qiáng)度從近150提高至1000MPa,硬度從3.5提高到150GPa。

連續(xù)纖維加固的棒狀產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度可以與鈷-鉻合金、鈦、鋁合金以及不銹鋼的強(qiáng)度媲美。單軸排列的碳纖維與PEEK母體的復(fù)合物也可以作為預(yù)浸漬帶使用。這種帶可用于手糊成型直接壓膜或纖維纏繞部分。組成成分、或是強(qiáng)化材料的積層、或是樹脂浸漬的強(qiáng)化物,可用于鑄造模型,復(fù)合物是用手堆積上去的。然后通過壓縮成型固化材料。

同樣,根據(jù)ISO10993-1指導(dǎo)原則對碳纖維加固的植入級PEEK聚合化合物和復(fù)合物進(jìn)行了測試。

用于承載的纖維強(qiáng)化物

醫(yī)療器械制造商用組合傳遞模壓法處理連續(xù)纖維加固的PEEK棒,制造用于承重的結(jié)構(gòu)組件和加固元件,比如脊椎手術(shù)的針或用于外傷固定的骨板。

組合傳遞模壓法使得醫(yī)療器械制造商能夠開發(fā)出經(jīng)顯著改進(jìn)過的植入物,減少手術(shù)損傷,縮短住院病人在醫(yī)院停留的時(shí)間,并能提高患者舒適度,使用更少侵略性裝置,增強(qiáng)組織忍耐度。

植入級PEEK聚合物除了比金屬具有顯著的機(jī)械性能之外,還能在磁共振影像(MRI)中顯示出優(yōu)越的醫(yī)療影像兼容性。它們可透過射線,在x-射線下幾乎不可見,從而可獲得清晰的圖像。傳統(tǒng)的金屬植入物無法透過射線,它會妨礙對組織和骨骼的徹底檢查。

用于磨損的碳纖維強(qiáng)化物

把短的碳纖維加進(jìn)植入級PEEK聚合物可提高其摩擦磨損性能。摩擦,或者一個(gè)物體在運(yùn)動中與另一物體表面的相互作用,是開發(fā)整形外科植入物時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素,因?yàn)檫@些植入物在沿其它表面或組織移動時(shí)必須保持其結(jié)構(gòu)。

近的研究方向針對于把整形外科植入物支撐面磨損減少至zui低的能力。通常情況下,選擇另外一個(gè)支撐面可能改變關(guān)節(jié)與骨骼的連接,或者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的硬度變化,使負(fù)荷轉(zhuǎn)移至骨骼。已經(jīng)研究過的兩個(gè)可供選擇的磨損材料是金屬-金屬以及陶瓷-陶瓷。

高度交聯(lián)的聚乙烯已開發(fā)出用于減少磨損,并在模擬試驗(yàn)和前期臨床中顯示出具有開發(fā)前景。 盡管初期的關(guān)于高度交聯(lián)聚乙烯被氧化降解的問題已經(jīng)解決,然而交聯(lián)過程會導(dǎo)致降低靜態(tài)機(jī)械性能,例如受拉屈服強(qiáng)度以及抗疲勞裂縫傳播能力。這些降低在膝部顯得尤其重要,但在膝關(guān)節(jié)表面不是十分合適。因此,高度交聯(lián)聚乙烯不能用于膝關(guān)節(jié)植入。

一些歷史上把碳纖維與超高分子量聚乙烯合用的例子不是很成功。 這可能要?dú)w咎于纖維表面與周圍聚合母體結(jié)合強(qiáng)度較低。植入級PEEK和碳纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度很高,因此纖維釋放現(xiàn)象大大減少或沒有。另外,由于其具有抗蠕變力,植入級PEEK聚合物能夠長時(shí)間承受相對大的壓力,不會隨時(shí)間擴(kuò)展,并且具有良好的纖維-母體界面結(jié)合強(qiáng)度。

自2001年6月,開始了一項(xiàng)碳纖維加固的植入級PEEK聚合物髖臼插入物臨床研究。目前,在完成20個(gè)程序以后,沒有報(bào)告發(fā)生伴隨植入手術(shù)的并發(fā)癥或者對材料的不良反應(yīng)。

磨損殘骸

除線性磨損率之外,尺寸、形狀以及磨損顆粒數(shù)量都會影響植入物的壽命。當(dāng)微米級的磨損顆粒釋放到環(huán)境組織,巨噬細(xì)胞被激活,引起骨質(zhì)溶解(溶解或骨組織病變),植入物也有可能松動。

骨質(zhì)溶解在植入后的第二個(gè)十年變得明顯。盡管據(jù)稱高度交聯(lián)聚乙烯能夠提供低磨損率,但模擬研究表明磨損殘骸可能更小,這將導(dǎo)致每年產(chǎn)生更多的磨損顆粒。 當(dāng)前的交聯(lián)聚乙烯植入物歷史太短,排除了潛在的骨質(zhì)溶解的結(jié)論。
模擬器測試表明,用植入級PEEK聚合物和碳纖維制造的髖臼插入物比其它材料的磨損率低,產(chǎn)生的磨損顆粒少。 這些顆粒的生物測試結(jié)果顯示,該材料具有良好的生物耐受性。從髖臼插入物的模擬器測試中獲得的植入級PEEK聚合物顆粒小于15μm。在人纖維原細(xì)胞中以0.5和1.0mg/ml濃度進(jìn)行生物測試,結(jié)果顯示材料具有良好的生物耐受性。

的設(shè)計(jì)解決方案

除受益于植入級PEEK的機(jī)械、化學(xué)和生物特征之外,許多醫(yī)療器械制造商使用這種聚合物,因?yàn)樗軌蛱峁┎煌脑O(shè)計(jì)解決方案。

這種聚合物能夠用常規(guī)的熱塑性塑料處理設(shè)備和技術(shù),如噴射模塑、擠壓成型、壓縮模塑和粉末覆膜。

采用噴射模塑能夠大量高效地進(jìn)行生產(chǎn),而無須后處理過程的退火和加工。擠壓成型用于生產(chǎn)薄膜和薄片和單根的管、棒,以及有涂劑或填充物的化合物。這些材料的粘度與日用聚合物熔化時(shí)相仿。植入級PEEK聚合物有三種級別:標(biāo)準(zhǔn)粘度、中等粘度和低粘度。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用

由于植入級PEEK聚合物的多功能性,可用于開發(fā)許多長期植入物。如今它被用于關(guān)節(jié)替換系統(tǒng)和脊椎手術(shù),特別是用于脊椎融合手術(shù)的支撐架。

它還可開發(fā)用于心血管方面,比如閥門和內(nèi)的泵;關(guān)節(jié)窺鏡檢查的縫合“錨”;牙科中的義齒、牙橋、支柱牙以及康復(fù)帽。

植入級PEEK聚合物經(jīng)研究可用于許多醫(yī)療器械,包括長期的植入物和短期的身體接觸。它擁有獨(dú)特的綜合性能,包括生物相容性、可透過x-射線和CT以及MRI兼容性。此外,其可調(diào)整的機(jī)械性能、抗化學(xué)性、滅菌方面的優(yōu)勢,以及易于進(jìn)行熱處理,這些都使得這種熱塑性塑料成為植入器械的理想選擇。